小議斜拉索風(fēng)致振動以及減振措施

1、小議斜拉索風(fēng)致振動以及減振措施    小議斜拉索風(fēng)致振動以及減振措施何訓(xùn)華1高飛2（1西南交大土木設(shè)計有限公司廣州根公司廣州510610）（2南昌市公路勘察設(shè)計院南昌330077）摘要：本文介紹了斜拉索風(fēng)致振動的基本原因和類型、部分減振原理和特點(diǎn)。關(guān)鍵詞：橋梁工程；風(fēng)振控制；渦激共振；抖振；參數(shù)振動；弛振；尾流弛振；風(fēng)-雨振；0前言隨著現(xiàn)代橋跨結(jié)構(gòu)朝著高大、輕柔、低阻尼趨勢發(fā)展，發(fā)展超長、大跨徑柔性橋梁是國際上的一種趨勢，因此國內(nèi)外近幾年修建的斜拉橋跨度日漸增大，拉索也日漸長大，密索體系斜拉橋已經(jīng)成為傾向。眾所周知，拉索是斜拉橋的極其重要組成部分，橋跨結(jié)

2、構(gòu)的恒載與活載大部分通過拉索傳遞到塔柱。但是由于拉索質(zhì)量小、柔度大、自身阻尼小，在風(fēng)的激勵下會發(fā)生多種類型的強(qiáng)烈振動，從而影響到橋跨結(jié)構(gòu)的安全；因此如何將拉索的風(fēng)振控制在安全范圍受到橋梁結(jié)構(gòu)工程師們的廣泛關(guān)注。1斜拉索振動的基本原因以及類型由于斜拉索的結(jié)構(gòu)阻尼很小，而結(jié)構(gòu)阻尼對氣動力穩(wěn)定性至關(guān)重要，所以拉索本身就難以穩(wěn)定。在不同的外因條件下拉索將發(fā)生不同頻率和振幅的“索振”，而且發(fā)振頻度和振幅隨著外因的改變而變化。雖然引起拉索振動的原因很多，但其主要原因是風(fēng)，即索振基本為風(fēng)激振動。從斜拉索的振動類型來看一般有以下幾種：1.1經(jīng)典渦激共振（Vortex-inducedresonance）當(dāng)穩(wěn)定的

3、層流風(fēng)吹過拉索時氣流繞過斷面分離而產(chǎn)生周期性交替的漩渦脫落從而形成渦漩尾跡（又稱卡門渦街），由于渦脫頻率是和風(fēng)速成正比，當(dāng)其頻率與拉索的自振頻率一致時，將發(fā)生渦激共振。渦激共振是斜拉索最為常見的一種低風(fēng)速下的風(fēng)致振動；屬于低風(fēng)速下的強(qiáng)迫振動，對結(jié)構(gòu)來說一般發(fā)生在Vcr=3ms-10ms范圍內(nèi)（即3-5級蒲福風(fēng)力）。但是渦激能量輸入有限，不會產(chǎn)生大幅度的拉索振動（Amax0.5D），值得注意的是:渦振發(fā)振頻度很高，易造成拉索的疲勞損傷。1.2抖振（Buffeting）由于自然風(fēng)的陣風(fēng)脈動和紊流引起拉索的強(qiáng)迫振動。但抖振的振幅一般比較小。值得指出的是抖振具有多種形式的尾流效應(yīng)，典型的是并列索的尾流

4、抖振。由于背風(fēng)側(cè)索處在迎風(fēng)側(cè)索的尾流中并且受到迎風(fēng)側(cè)索產(chǎn)生的尾流渦旋的激勵，而背風(fēng)側(cè)索的振動又干擾迎風(fēng)側(cè)索周圍的氣流并與背風(fēng)側(cè)索一起都發(fā)生振動，其特點(diǎn)是隨著不同的風(fēng)速以及不同的水平偏角可以產(chǎn)生不同模態(tài)組合的拍頻振動。這種相互作用隨著兩根索間距的增大而減小直至消失。高頻的尾流抖振也會影響拉索錨固端的疲勞。1.3參數(shù)振動（Parametricresonance）當(dāng)橋面和塔受到活載、風(fēng)荷載而引起振動時會使得兩端與之相連的拉索，以同樣的頻率隨之縱向振動，當(dāng)拉索橫向自振頻率fc正好等于fb2或fr2時(其中fb為橋面豎向彎曲自振頻率而fr為橋面扭轉(zhuǎn)自振頻率)，拉索就會產(chǎn)生橫向振動，即共振作用使結(jié)構(gòu)的振動

5、在索中放大，但一般振幅較小。實際橋梁中發(fā)生拉索參數(shù)共振的情況較少。1.4馳振與尾流馳振（Galloping&Wakegalloping）索的外形也會使索產(chǎn)生大振幅的馳振而最終導(dǎo)致氣動力失穩(wěn)，當(dāng)索的截面形狀發(fā)生圓形異化（如六邊形索，或積雪）時會產(chǎn)生橫風(fēng)向的大幅度自激振動。當(dāng)2根或多根拉索并列布置時；由于迎風(fēng)面索的紊流尾流區(qū)內(nèi)存在一個不穩(wěn)定馳振區(qū)，如果背風(fēng)面索正好處在這不穩(wěn)定區(qū)內(nèi)，就會導(dǎo)致背風(fēng)面索發(fā)生橢圓形軌跡的振幅不斷加大的低頻振動既然尾流馳振。尾流馳振的發(fā)振風(fēng)向大致與橋軸線的水平夾角為±70°-80°（即背風(fēng)側(cè)索正好處在不穩(wěn)定的馳振區(qū)）。尾流馳振的發(fā)振風(fēng)速

6、視索長、索力而定，一般為Vcr25fnD-50fnD。對短索而言，迎風(fēng)側(cè)索大體上不動。對長索的迎風(fēng)側(cè)索也會因背風(fēng)側(cè)索的尾流馳振提供部分能量而產(chǎn)生小幅振動，且在索平面內(nèi)兩索振動的相位正好相反。尾流馳振的特點(diǎn)是既有索平面內(nèi)又有索平面外的大幅度振動，嚴(yán)重的還會造成拉索互相碰打。1.5風(fēng)雨振（Rainwindinducedvibration）這是近幾年研究發(fā)現(xiàn)的在風(fēng)和雨共同作用引起的一種拉索強(qiáng)烈的振動。特別是由于順風(fēng)向向下傾斜索的尾部產(chǎn)生軸向風(fēng)時發(fā)生在有一定水平偏角(25°-40°)的風(fēng)及一定雨量(10-20mm/h)的塔后索，頻率小于3Hz，而雙振幅可達(dá)1.5m，對索的危害極大。

7、武漢長江二橋、銅陵長江大橋等都發(fā)生過較長的尾索在風(fēng)雨共同作用下拉索大幅振動造成索與索之間相互碰撞的現(xiàn)象。到目前為止，人們對風(fēng)雨振認(rèn)識有以下幾點(diǎn)（1）風(fēng)雨振一般在雨量(10mm/h-20mm/h)，風(fēng)速在7m/s-16m/s之間，水平偏角(25°-40°),左右較易發(fā)生；振動頻率一般在在1Hz-3Hz。常常多根拉索同時發(fā)振，其中又以長索振動可能性最大。（2）上水線的形成與圓周運(yùn)動導(dǎo)致拉索氣動力性能的改變以及2次軸向流對旋渦脫落和尾流區(qū)流場干擾導(dǎo)致的壓力變化也是引起的風(fēng)雨振的主要原因。（3）拉索的表面材料性質(zhì)；如斥水性，粗糙度等直接影響水線的形成和運(yùn)動，也是引起拉索風(fēng)雨振的原因

8、之一。（4）湍流度和雨的強(qiáng)度也對振動有影響。上水路及其沿圓周向的振蕩以及拉索尾流的2次軸向流是拉索雨振的2大重要誘因；此外還有紊流度，拉索表面特征和降雨量的影響等。但是迄今為止，對于這種破壞性強(qiáng)的拉索的風(fēng)雨振，其機(jī)理目前尚未有非常明確的結(jié)論，研究仍停留在風(fēng)洞實驗階段，更談不上合理的分析方法。2抑振措施的分析目前，拉索的減振措施主要有兩大類，一類是空氣動力學(xué)措施，另一類是機(jī)械措施。前者主要靠改變拉索的截面形狀，使其空氣動力性能得到改善。后者則通過安裝各種阻尼減振器或者增加拉索剛度，提高固有頻率來抑制振動響應(yīng)。兩類方法各有所長，基于現(xiàn)實條件的限制，后者使用比較廣泛。2.1空氣動力學(xué)措施拉索的氣動力

9、減振措施是一種特定用于抑制拉索雨振的90年代初提出的新課題，目的是為了限制、抑或瓦解水路以及破壞氣動力的相關(guān)性。即將拉索的PE管外表面做成某種斷面形狀：日本東神戶大橋在拉索PE管表面開設(shè)了軸向凹槽；法國諾曼底大橋拉索表面采用了雙螺旋線；日本多多羅大橋的拉索PE管表面設(shè)置了四周微凸而中間凹陷的“麻麻坑”等。盡管氣動力學(xué)措施具有維修保養(yǎng)簡便、費(fèi)用較低等優(yōu)點(diǎn)，但是各種方案的開發(fā)和構(gòu)造細(xì)節(jié)都需要實驗驗證其減振效果，且要注意不能增加拉索斷面的阻力系數(shù)，并且避免 的不穩(wěn)定振動，目前還無法用計算流體力學(xué)來分析。因此對氣動力減振措施的作用機(jī)理也就無法進(jìn)行理論分析。2.2機(jī)械措施2.2.1二階索方法具體方法是用

10、15mm-30mm的不銹鋼絲將各主要拉索相互連接，以提高拉索體系的整體剛度，增加拉索的模態(tài)質(zhì)量和阻尼，使拉索振動時產(chǎn)生各模態(tài)間的相互耦合。盡管二階索的減振原理十分淺顯，實踐中也掌握了一些經(jīng)驗，如間距一般為50m，位置應(yīng)設(shè)在振型腹點(diǎn)且與之正交等。然而在實際工程中的應(yīng)用并不是很普遍。再加上都是高空作業(yè)，其予緊力也難以掌握。因此二階索拉斷、索夾斷裂時有發(fā)生。再說二階索并不能完全消除并列索與空間索的面外振動。我國的武漢長江二橋就是采用二階索索夾作為減振措施，然而在實際工程中的應(yīng)用并不是很普遍，往往作為臨時減振措施采用，而且對于長大斜拉橋往往需要多道二階索，而常常被貶之為“蜘蛛網(wǎng)”，那樣損害了橋梁的景觀

11、，所以往往不能被橋梁設(shè)計師所接受。2.2.2阻尼橡膠減振圈利用橡膠和拉索之間作用力傳遞，使橡膠圈變形產(chǎn)生粘滯阻尼耗能，是中國斜拉橋應(yīng)用較廣的一種減振措施。由于阻尼橡膠減振圈（簡稱減振圈）可以布置在拉索的導(dǎo)筒內(nèi)，不為行人所見，因此具有較好的景觀效果。橡膠圈結(jié)構(gòu)簡單而且易于安裝。但橡膠圈提供的阻尼由于太接近錨固端而十分有限，只能對短索產(chǎn)生一些減振效果，但是如果施工過程中拉索較大地偏離導(dǎo)筒中心時，往往運(yùn)行不到一年就產(chǎn)生橡膠圈開裂破碎。2.2.3油壓阻尼器油壓阻尼器最早用于汽車減振上，歐美國家逐漸應(yīng)用油壓阻尼器作為拉索減振措施。我國的南京長江二橋就是采用同濟(jì)大學(xué)開發(fā)的油壓阻尼器，并確取得拉一定的減振效

12、果。但是油壓阻尼器只能提供單向阻尼力，如果用油壓阻尼器同時抑制拉索的面內(nèi)和面外振動，則每根拉索需要裝上2個并成正交布置。而且油壓阻尼器安裝精度嚴(yán)，作為阻尼介質(zhì)的硅油溫度效應(yīng)明顯，由于頻繁動作，容易發(fā)生漏油和滲油現(xiàn)象。因此維修費(fèi)用相對較高。同時油壓阻尼器油壓油壓阻尼器對小振幅振動不敏感，而長拉索由于存在“模態(tài)躍遷”其平面內(nèi)一階正對稱振動在靠近錨固端處振動幅度將變得很小，從而使油壓阻尼器平面內(nèi)一階模態(tài)的實際測得的阻尼值比設(shè)計阻尼值低得多。2.2.4粘性剪切型阻尼器粘性剪切型阻尼器（VSD）是近幾年出現(xiàn)的一種新型減振裝置，其特點(diǎn)是利用阻尼器中切片的運(yùn)動使粘性體產(chǎn)生剪切變形從而將振動能量傳遞給粘性體再

13、轉(zhuǎn)變成熱能耗散。國內(nèi)應(yīng)用粘性剪切型阻尼器的橋有汕頭石大橋、湖口大橋、白沙洲大橋、軍山大橋、鄂黃長江大橋、荊州長江大橋等。現(xiàn)將鄂黃長江大橋、荊州長江大橋兩座大橋的粘性剪切型阻尼器的應(yīng)用情況介紹如下：鄂黃長江大橋是北京至廣州106國道跨越長江，連接鄂城、黃岡兩座中等城市的特大橋梁，是湖北省交通重點(diǎn)工程項目。鄂黃大橋全長3245m，其中主橋長1290m，為五跨連續(xù)雙塔雙索面預(yù)應(yīng)力混凝土斜拉橋，主塔高172.3m。在主橋的施工過程中拉索長期處于抖振的狀態(tài)下,并且時常伴隨著適當(dāng)?shù)娘L(fēng)雨條件發(fā)生大振幅的風(fēng)雨振。荊州長江公路大橋位于湖北省荊州市，是207國道跨長江的一座特大型橋梁，大橋北岸為荊州市區(qū)，南岸為公

14、安縣埠河鎮(zhèn).全橋共由九個橋段組成，自北向南依次為北岸引橋、跨荊江大堤橋、北岸灘橋、北汊通航孔橋、三八洲橋、南汊通航孔橋、南岸灘橋、跨荊南干堤橋、南岸引橋，橋梁全長為4177.60m。其中北汊通航孔橋為：200+500+200（m）PC斜拉橋、南汊通航孔橋：160+300+97（m）PC斜拉橋，同樣該橋在施工過程中拉索時常發(fā)生大振幅的風(fēng)雨振以及抖振。根據(jù)有關(guān)專家考察意見，于2002年4月-2002年8月在鄂黃長江公路大橋、2002年6月-2002年9月在荊州長江公路大橋上安裝粘性剪切型阻尼器作為斜拉索的永久抑振措施。為了確認(rèn)斜拉索粘性剪切型阻尼器的實際減振效果，在選取對橋控制的有代表性的最不利索

15、后，進(jìn)行了拉索在有HCA減振器和無HCA減振器兩種不同工況下的自然風(fēng)響應(yīng)功率譜和時程觀測，以及人工激振后的自由衰減觀測，結(jié)果表明：鄂黃長江大橋斜拉索在沒有安裝減振器之前的對數(shù)衰減率在0.002-0.006之間，安裝HCA減振器之后除個別索的對數(shù)衰減率在0.035-0.05之間，其余索的對數(shù)衰減率均在0.05以上，即提高了5-10倍以上；風(fēng)響應(yīng)位移有效值在微風(fēng)環(huán)境下減小1.8-7.5倍，風(fēng)力較大時可達(dá)16倍左右，加速度有效值在微風(fēng)環(huán)境下減小4.8-22倍，風(fēng)力較大時可達(dá)近120倍。荊州大橋斜拉索沒有安裝減振器之前的對數(shù)衰減率在0.0040.006之間，裝了HCA阻尼器后其對數(shù)衰減率可達(dá)0.034

16、0.08，即提高約812倍以上；風(fēng)響應(yīng)位移功率譜有效值在微風(fēng)環(huán)境下減小1.33.7倍，風(fēng)響應(yīng)速度功率譜有效值在微風(fēng)環(huán)境下減小1.2-6.6倍；風(fēng)響應(yīng)位移時程曲線峰峰值減小1.4-3.3倍,風(fēng)響應(yīng)速度時程曲線峰峰值減小1.2-17.5倍。達(dá)到預(yù)期的減振效果。表1鄂黃長江公路大橋部分拉索減振效果對比索號 工況 風(fēng)響應(yīng)功率譜有效值 風(fēng)響應(yīng)時程曲線峰峰值 對數(shù)衰減率   加速度(mgp-p) 位移(mmp-p)   加速度(mgrms) 位移(mmrms)  通頻

17、 A29 有HCA 3.464 2.603 14.64 1.70 0.0635 無HCA 359.595 75.4 1778 26.88 0.0028A26 有HCA 2.327 2.556 8.594 1.276 0.0982 無HCA 14.418 5.747 87.65 3.623 0.0019A27 有HCA 3.105

18、 2.931 18.17 1.55 0.0952 無HCA 57.276 13.370 392 6.24 0.006表2荊州長江公路大橋部分拉索減振效果對比（32號塔）索號 工況 風(fēng)響應(yīng)功率譜有效值 風(fēng)響應(yīng)時程曲線峰峰值 對數(shù)衰減率   加速度(mgp-p) 位移(mmp-p)   加速度(mgrms) 位移(mmrms)  通頻基頻 S59

19、60;有HCA 5.940 1.168 9.619 1.77 0.0362 無HCA 21.060 4.011 168.4 5.095 0.0042S57 有HCA 6.360 2.795 34.083 3.027 0.0397 無HCA 33.98 5.342 118.47 7.960 0.0046S54 有HCA 8.1624 2.860